基于WebGIS的高压线输电走廊地质监测系统研究及应用

0  引  言

我国电力系统建设进入到了智能电网时代。在电网建设过程中，输电线铁塔塔基沉降观测是电力安全生产的重要保障，也是电力线巡线的重要内容之一。在采空区、地下煤矿自燃区、地质活动活跃区域以及由于降雨等因素对地表造成剧烈变化的地区（山洪导致塌方或泥石流），都对输电铁塔塔基的稳定造成显著的影响，严重的会导致塔体倾斜或倒塔事故。

传统输电线路巡检大多采取人工进行巡视的方式进行，耗费大量人力、物力，效率低下且容易忽视不易查觉的隐患点。基于无人机进行线路巡查也存在续航时间短、信号丢失、受恶劣天气影响等问题。合成孔径雷达干涉测量技术（InSAR），能够对铁塔沿线区域进行高精度沉降监测，并获取高压输电铁塔沿线区域地表形变随时间的变化情况，为铁塔沉降分析提供精确的量化依据，是一种成本低、效率高的监测手段。

地理信息系统有着强大的数据管理能力，通过空间分析，可将通过InSAR技术获取的形变监测结果与输电线通道数据进行融合展示、分析，为决策提供更好的支持，在电力系统防灾、减灾领域发挥重要作用。姚楠等人将多种形式的气象数据加入到基于地理信息系统（GIS）的气象灾害监测中，通过关联分析建立了可靠的气象灾害预警模型；虢韬等人针对电力系统运维阶段处理海量大数据的需求，利用GIS平台，基于常见的山火、覆冰等灾害信息，建立了防灾减灾分析系统，实现了综合分析，达到提前预警的目的；黄绪勇等人以Openlayers平台和Oracle数据库为载体，将气象数据、运维数据等多元数据集成分析，进行可视化展示，为灾害预警提供了支撑。

针对传统输电线路人工巡检方式耗时、费力，成本高和如何将电力巡线业务多源数据进行融合展示等问题，本文提出了一种基于WebGIS高压线走廊地质监测系统。该系统采用InSAR技术对输电线路沿线地质进行沉降分析，通过WebGIS实现对监测数据的存储、交换、服务、分析评估和可视化展示等功能。

1  技术介绍

1.1  InSAR 技术

InSAR技术是在合成孔径雷达的基础上发展起来的一种新型的空间对地观测技术，通过同轨且处于不同位置的雷达对相同地区发射电磁波，接收回波信号获取两组影像，进行配准处理，生成干涉图。干涉图像元包含地面形变信息，经过相位解缠、地理编码等步骤获得可靠的地表形变信息。

永久散射体干涉测量（PS-InSAR）技术是在传统合成孔径雷达干涉技术上发展起来的，可以有效削弱时间、空间、失相干、大气延迟等误差影响，能够提取相干性强、稳定的点位形变信息。该技术能够有效地对目标区域进行监测，相比传统设站水准监测方法，极大降低监测成本，提高监测效率。

1.2  WebGIS 技术

与传统GIS技术相比，网络地理信息系统即WebGIS，除了具有传统GIS空间数据服务能力外，特点在于能够通过网络分享、操作地理空间数据，在线进行空间分析与检索操作。WebGIS具有良好的网络服务功能，可以在全球范围内的网络节点上传或下载服务器内的数据，及时反馈更新，通过浏览器也能够实现多平台登录操作，因此WebGIS在智能电力系统中发挥的作用极大。

2  系统总体设计

2.1 系统应用平台

1）WebGIS平台。采用基于GIS组合与分布式集群的思想，以多节点横向扩展的方式增强服务性能和系统稳定性，从而提高GIS平台的整体服务性能，同时减少单点故障。

将多个GIS服务器节点有序组合起来，共同处理来自客户端的高并发请求服务，这种组合模式称为GIS服务器集群。在客户端访问集群与访问一台服务器的模式和方法是相同的，GIS集群可以充分利用多个集群节点的资源进行计算，从而大幅度提高计算速度和响应速度，同时多个节点互为备份，使得单节点故障不至于导致整个服务的崩溃，保证服务能够正常运行，为客户端提供稳定的服务支撑。

集群通过负载均衡分担来自客户端的高并发访问压力，负载均衡模块将来自客户端的请求，基于负载均衡算法，尽可能将请求按权重比例分配到集群的各个计算节点上进行处理，响应处理结果，避免一台服务器因为负荷太高而出现故障或导致计算缓慢。集群部署GIS服务器能够提高请求地图瓦片的响应速度和WFS数据的请求速度。

在GIS集群中采用分布式文件存储的方式，管理GIS服务需要的文件资源。分布式文件系统（DFS， Distributed File System）是指文件系统管理的物理存储资源，不一定直接连接在本地节点上，而是通过网络与其他节点相互通信，或是由多个不同的逻辑磁盘分区或卷标组合在一起而形成的完整的有层次的文件系统。GlusterFS是一个开源的分布式文件系统，横向扩展能力非常强大，支持高达PBxxx\\\级的存储容量和处理大量客户端的文件资源请求（图1）。

图 1 GIS 服务架构

Fig.1 GIS server framework

2）数据库。系统采用关系型数据库PostgreSQL，是一个功能强大的开源的对象关系型数据库管理系统（ORDBMS），可以满足管理庞大的数据量，并且可以满足对数据的添加、更新、删除等频繁操作；也可以通过多张表，来存储一些具有关联关系的数据，利用数据、关系、对数据的约束组成的数据模型来存储和管理数据，存储和分析空间数据。采用PostgreSQL数据库可提供高效的空间信息存储与分析能力，可为简单的属性信息附上地理维度的标签，如地表形变监测结果包括：监测点编号、监测点纬度坐标值、监测点经度坐标值、监测点大地高程值、监测点相对外部参考DEM高程值、监测点形变速率、监测点累积形变速率、时间相干性、雷达多普勒坐标值Sample、雷达多普勒坐标值Line、时间序列形变量标准差值等。

2.2  系统架构设计

基于WebGIS的高压线输电走廊地质监测系统实现了空间地理信息和输电线路模型的集合汇总，通过InSAR监测数据与输电线路空间信息融合，可在系统平台上进行分析应用和监测目标可视化展示。系统采用B/S架构进行开发，即浏览器与服务器架构模式，系统整体架构设计分为四大层次（图2）。

图 2 系统整体架构

Fig.2 System framework

1）数据储存层。针对数据库结构设计，分析存储系统所需的数据，包括卫星光学影像、卫星雷达影像、数字高程模型、输电线路矢量数据、输电塔模型信息、InSAR监测数据、空间坐标信息等。

2）数据服务层。数据服务层主要功能是按照需求，将所需调用的数据进行类型封装，实现数据增减、删改等操作，主要包含系统业务服务、图层分析服务、地质监测数据服务和模型管理服务。

3）分析应用层。分析应用层主要将不同应用功能进行模块划分，对不同模块进行数据调用和处理，实现监测数据分析、监测报告生成、监测结果三维空间查看、输电沿线飞行排查、输电塔定位查询、历史监测数据与最近监测结果对比分析等。

4）综合展示层。综合展示层将数据服务层处理后的数据加载到用户页面，供用户操作查看展示，主要为用户展示监测区域的二维矢量地图、三维空间地形图、输电塔模型及输电沿线监测结果，可以查看区域内的时间序列沉降值。

3  系统功能实现

高压线输电走廊地质监测系统实现了对大范围、长距离高压线路周边地质情况的监测分析。结合多源数据建立一体化综合展示平台，将输电线路信息、输电塔模型信息、监测结果在同一空间内加载展示，对监测区域进行全方位不同角度分析，实现输电线路沿线地质变化情况评估、提取可疑区域、预警等功能。

3.1  三维地理空间信息

1）三维地理空间信息以三维数字地球模型为基础，加载卫星遥感影像、矢量线路数据、数字高程模型，模拟出整个线路监测区域范围内的真实地表情况，可以进行底图切换，查看沿线附近真实地表情况（图3）。

图 3 监测线路分布

Fig.3 Distribution of monitored transmission lines

2）在三维模型空间内可以查看高压线输电塔的三维模型以及输电塔所在的经纬度坐标，实现输电沿线所有铁塔地表沉降情况的虚拟巡线排查（图4）。

图 4 三维空间输电塔模型

Fig.4 3D model of transmission tower

3.2  沉降监测结果可视化

采用InSAR技术获取高分辨率雷达卫星数据形变信息，监测结果加载到三维空间内可查看输电沿线左右1km范围内的形变值，获得输电铁塔周边地表形变的时空特征规律（图5）。

图 5 形变监测结果

Fig.5 Deformation results

基于PS-InSAR技术，获取长时间序列的地表形变图，在空间维度掌握形变区域，在时间维度了解变形的发展过程。在39.283072°N，106.86364°E位置，塔号为59、60的输电铁塔周边存在较明显的形变区域，垂直方向形变速率达 -81.141mm/年（图6）。

图 6 乌吉 II 线 59 号塔和 60 号塔周边形变区

Fig.6 The area with deformation around Tower No. 59 and No.60 of Wuji Line II

在系统中可通过点击查看隐患区域内的PS点获取点位时序沉降数据，在沉降信息详情中可以查看该PS点的具体序号、经纬度坐标和雷达影像监测日期对应的累计形变量值等信息，为观测区域内不同目标的形变分析提供客观数据支持，实现区域内连续形变特征分析（图7）。

图 7 时间序列沉降值

Fig.7 Subsidence value with time series

4  结  论

本文针对目前电力建设过程中高压输电线走廊监测难度大、效率低下的问题，开发了一种基于WebGIS高压线输电走廊地质监测系统。该系统采用合成孔径雷达干涉测量技术对输电线路沿线地质开展沉降分析，通过WebGIS实现监测结果数据存储、交换、服务、分析评估、可视化展示等，为输电线路安全运行提供了有效支撑。

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